东北大材料成型金属学课件07金属在塑性加工中组织与性能变化的基本规律

Chapter7

金属在塑性加工中组织与性能

变化的基本规律

Basiclawsofmicrostructureandmechanicalpropertyvariationinplasticworking

材料成形形状/尺寸/表面质量组织性能工艺因素---组织演变---力学性能/物理性能/化学性能联系/规律PropertiesProcessingMicrostructure7.1金属在冷塑性加工中组织与性能变化的规律

Changeofmicrostructuresandmechanicalpropertiesincoldworking1.纤维组织多晶金属冷变形→等轴晶粒沿主变形方向拉长

大变形量→晶粒呈纤维状→称纤维组织

7.1.1显微组织的变化ab钢材冷拔后纤维组织示意图a-拔制变形前的组织；b-拔制变形后的纤维组织2.Substructure亚结构deformation变形→dislocationdensity↑位错密度增加→dislocationtangles位错缠结→高位错密度区将位错密度低的区域隔开→晶粒内部出现“小晶粒”，取向差不大→胞状亚结构

cellularsubstructure晶界与亚晶界ε↑→dsub↓→σ↑

subgrainstrengthening

亚晶强化变形达到一定程度,变化减小。3.变形织构deformationtexture

变形量较大时，各晶粒取向大体趋于一致,－“择优取向”preferredorientation

具有择优取向的组织称为“变形织构”deformationtextureDeformationtextureappearsinextrusion挤压/drawing拉拔/forging锻造/rolling轧制

织构-描述多晶体中晶体取向的特征。理想情况:变形金属中的每个晶粒都转到所给出织构的晶向和晶面。实际情况:变形金属的晶粒取向只是趋向于这种织构.随着变形程度的增加,趋向于这种取向的晶粒越多,这种织构越完整。Generally,deformationtextureincludesfibertexture(丝织构)andplatetexture(板织构)。

丝织构fibertexture挤压drawing/拉拔extrusion

轴对称axisymmetric特定晶向//最大主变形方向.丝织构fibertexture拉拔方向

丝织构示意图板织构platetexture

轧制rolling/宽展很小的矩形件-镦粗upsetting

平面变形planestrain

某一晶向//轧向 某一晶面//轧面methodformeasuringtexture:

x射线衍射x-raydiffraction

极图polefigures/取向分布函数ODF(orientationdistributionfunction)

无择优取向

randomdistributionoforientationShearTextures:

idealizedtexturecomponents织构

背散射电子衍射

超细晶粒钢ultra-finegrainedsteelElectronbackscatteddiffraction,EBSD普通碳钢lowcarbonsteel7.1.2.力学性能的变化

Changeofmechanicalproperties

1.加工硬化

workhardening

金属在变形过程中随着变形程度的增加,强度和硬度明显增加,塑性迅速下降的现象称为～。

单晶体singlecrystal加工硬化曲线曲线斜率θ=dτ/d

,加工硬化率Work/strainhardeningrate

剪切应力

τ<τc

弹性阶段

τ>τc

塑性变形阶段塑性变形阶段的曲线：

易滑移阶段线性硬化阶段抛物线硬化阶段

Ⅰ.易滑移阶段—单系滑移singularslip一组滑移系开动,硬化率很小。

滑移线相互平行铜的单滑移Ⅱ.线性硬化阶段—多系滑移multipleslipsystem

多系滑移→位错交割/反应→位错缠结→胞状亚结构必须加大外加切应力→变形抗力↑→硬化率↑▲Cross-Slip:

交滑移bbbPrimaryslipplaneCrossslipplaneedgeⅢ.抛物线硬化阶段—交滑移crossslip

交滑移→位错绕过障碍→硬化率↓

多晶体polycrystal：多系滑移,无Ⅰ阶段,加工硬化率比较高。

h.c.p(如镁)一组滑移面

→单系滑移→硬化率↓→易滑移阶段↑

b.c.c.f.c.c滑移系较多

→硬化率↑

影响因素(1)晶体结构(2)层错能stackingfaultenergy(SFE)

层错能高(Al)→扩展位错宽度窄→交滑移容易→Ⅱ阶段短/Ⅲ阶段出现早

层错能低(Cu)与此相反(3)晶粒尺寸grainsize

d↓硬化↑-晶界阻碍变形(4)变形温度和变形速率

硬化hardening—软化softening

此消彼长室温：变形↑硬化↑高温：温度↑硬化↓2.各向异性anisotropy

加工方式不同→不同织构→不同方向上性能的差异负面影响

negativeeffect

深冲deepdrawing“制耳效应”earing.(b)

裂纹crack正面影响

positiveeffect磁性材料magneticmaterial

例:变压器用硅钢片(110)[001]高斯取向〈100〉易磁化方向沿轧制方向磁导率↑铁损↓

控制织构

电解电容器铝箔

电容器容量~铝箔表面积→↑容量~↓体积选择浸蚀→铝箔表面积↑

立方织构→表面结构均匀整齐→

浸蚀深度大

强化作用

h.c.p.Ti(0001)织构

平面应力下强度高,可作抗压容器。7.1.3储存能

storedenergy

Es

冷变形结束后，约10%能量以点缺陷、位错、层错的形式储存在金属的内部,称为储存能Es。

影响因素factors: (1)材料的内在因素intrinsicfactor

熔点Tm↓Es↓

溶质原子↑/d↓Es↑

－畸变distortion

第二相/基体性质差异大Es↑位错交割dislocationintersection位错增殖dislocationmultiplication

(2)工艺条件processingschedules

加工硬化→Es↑

变形温度↓变形速度↑变形程度↑不均匀变形↑→储存能↑thermodynamicallyunstable

7.1.4其他性能的变化

Changesofotherproperties1.金属密度Density

crack裂纹&cavity空洞→density↓2.导电性Electricconductivitydislocationdensity↑→latticedistortion点阵畸变→electricresistance电阻↑

internalstress内应力

stresscorrosion应力腐蚀

3.耐蚀性能

corrosionresistance

Colddeformation冷变形→residualstress残余应力&internalenergy↑→chemicalinstability化学不稳定性↑→corrosionresistance耐蚀性能↓实例：冷加工过的黄铜由于内应力的存在，在氨气/铵盐/汞蒸气及海水中会发生严重的腐蚀破裂（季节病）；高压锅炉，铆钉发生的腐蚀破裂corrosionfracture。

冷拉黄铜管裂纹措施：退火annealing，消除内应力

stressrelief

7.2冷塑性加工金属加热时

组织性能变化退火annealing的作用：

1.中间退火intermediateannealing

恢复塑性,便于加工

2.成品退火

,成品的热处理控制成品性能,强度,塑性冷变形金属内能较高---热力学不稳定冷变形赋予金属的储存能---转变驱动力金属不能自发完成转变实现转变的条件:加热---热激活克服势垒

---完成向稳定态的过渡thermodynamicallyunstabledrivingforcethermalactivation

回复与再结晶冷变形金属加热时的软化过程分三个阶段:

回复再结晶 晶粒长大

recoveryrecrystallization graingrowtht0t1t2t3回复再结晶晶粒长大

（1）组织变化t0～t1为第1阶段，称为回复：显微组织几乎不发生变化，晶粒仍保持变形后的形态t1～t2为第Ⅱ阶段，称为再结晶:变形晶粒通过形核和长大，变为新的等轴晶粒（但不是相变）；t2～t3为第Ⅲ阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界移动，发生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。t0t1t2t3回复再结晶晶粒长大冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图Schematicrepresentationoftherecovery-recrystallization-graingrowthsequencenucleateGrowquicklyTerminalgrainsizeElongategrainsGrowi)Recovery回复ii)Recrystallization再结晶iii)Graingrowth

晶粒长大Newequiaxedandstrain-freegrains组织性能变化7.2.1回复Recovery低于再结晶温度

belowrecrystallizationtemperatureofthemetal力学性能无明显变化noobviouschangeinmechanicalproperties(strengthandhardness)

塑性略有回升

smallincreaseinductility

Reasons:

原子短程扩散

short-rangediffusion

点缺陷pointdefects0.1～0.3Tm空位运动、空位与其它缺陷结合→电阻、内应力

electricresistance/internalstressdecrease

vacancy空位Interstitial间隙原子0.3～0.5Tm

dislocationmovements位错运动→redistribution→subgrain

亚晶

Formationtypesofsubgrain：

1)multipleslip多系滑移→dislocationtangles位错缠结→subgrain

2)polygonization

多边化/正负位错抵消DislocationglideDislocationclimbPolygonization

多边形化edgedislocations刃型位错回复中的性能变化

propertychanges－hardness硬度基本不变？？位错变化不大

－电阻大大下降？点缺陷

sensitive－密度density升高？

点缺陷

回复动力学

Kineticsofrecovery

Occurringexponentiallywithtime

(a)Theshearstress-strainrelationshipfortheZnsinglecrystals;(b)Time-temperaturevariationofyieldstressduringrecovery无孕育期温度

回复速度7.2.2Recrystallization

再结晶再结晶温度recrystallizationtemperature0.4～0.5Tm(Tm=meltingpoint)位错密度

dislocationdensity

强度strength

塑性ductility

金属再结晶是通过形核和长大的方式来完成的

再结晶形核nucleation

在局部高能区域优先形成.

晶界grainboundary

变形带deformationbands

夹杂物inclusion

孪晶界twinboundary

自由表面freesurfaceABC间位相差很小A和B合并ABC合并,形成大位相差界面亚晶聚合subgraincoalescence

伴随着亚晶长大高位错密度晶界迁移，亚晶长大，成为再结晶的晶核.变形程度较小时，大角度晶界上有一小段弓出，晶界扫过的区域储存能释放，可以作为再结晶晶核而长大。－晶界弓出(a)Suddengrowthofaboundaryintoahighdislocationdensitygrain;(b)Modeltodescribethis“nucleation”event再结晶晶核的长大

晶界迁移boundarymigration

驱动力drivingforce

再结晶晶粒与变形基体之间的应变能之差

表面能surfaceenergy↑ 应变能strainenergy↓

再结晶动力学再结晶存在孕育期(形核过程)晶粒接触后再结晶速度减慢,直到终了。铝在350°C时的再结晶动力学曲线NucleationandGrowthstandardincubation/growthlaw:研究再结晶的方法

硬度法

金相法

x射线法

透射电镜观察

(transmissionelectronmicroscopy，TEM)再结晶温度recrystallizationT退火1小时:

开始出现再结晶晶粒的温度：Ts

再结晶结束的温度：TfDiscussion在原始晶界两边，一侧亚晶尺寸小，另一侧亚晶尺寸大。若该晶界在再结晶初期发生弓出，其弓出方向为何？何种形核机制？高位错密度晶界迁移，亚晶长大，成为再结晶的晶核.是否容易形核？Laminarstructure片层状组织Q：Lead,tin,cadmiumandzincrecrystallizeatroomtemperature.再结晶温度为室温

1)hotworking/coldworking?热加工、冷加工？

2)work-hardening?是否发生加工硬化？i)Recovery回复ii)Recrystallization再结晶iii)Graingrowth

晶粒长大Newequiaxedandstrain-freegrains冷塑性加工后金属在加热时的组织性能变化回复机制RecoverymechanismsTemp.MechanismsOperatingLow1.Migrationofpointdefectstosinks(grainboundaries,dislocations,etc)2.CombinationofpointdefectsIntermediate1.Rearrangementofdislocationswithintangles2.Annihilationofdislocations3.SubgraingrowthHigh1.Dislocationclimb2.Subgraincoalescence3.Polygonization再结晶的学习意义

再结晶广泛存在于材料加工成形过程，是材料制备过程中不可或缺的环节。

再结晶是调整组织结构的有效手段，如细化晶粒、调整织构。尤其在没有相变的材料如纯铝、纯镁，再结晶是改善组织的唯一途径。再结晶形核机制亚晶聚合

伴随着亚晶长大ABC间位相差很小A和B合并ABC合并,形成大位相差界面高位错密度晶界迁移，亚晶长大，成为再结晶的晶核.变形程度较小时，大角度晶界上有一小段弓出，晶界扫过的区域储存能释放，可以作为再结晶晶核而长大。－晶界弓出再结晶温度

金属种类再结晶温度/℃纯铝99.999%8599%240合金320镍99.99%37099.4%630锡-4

退火孪晶：大部分是在一次再结晶中形成的7.2.3Graingrowth晶粒长大

从界面能的角度，再结晶结束后继续加热晶粒还要长大。细晶→粗晶→表面积↓→界面能↓→稳定

驱动力：与界面能成正比/与曲率半径成反比。⑴正常晶粒长大—均匀长大大晶粒吞并小晶粒弯曲晶界平直化三叉晶界→120°

晶界趋向六边形小箭头原子移动方向大箭头晶界迁移方向GrainGrowthBoundarymovestowardcenterofcurvatureThemorecurvedthegrainboundary:highertheenergyofthegrainsurfaceatomslessenergyisrequiredtomovethoseatomsawayfromthegrainGrainsizeincreaseswithtimeiftemperatureproducesatommovements

弯曲晶界平直化界面张力平衡

理想状态⑵异常晶粒长大

二次再结晶

secondaryrecrystallization

再结晶后继续加热，某些晶粒吞并周围晶粒长大，出现异常粗大晶粒，称~。

原因：第二相、杂质溶入基体金属中,晶界迁移长大；或者再结晶织构中，个别晶粒位向差大,易于迁移→异常长大。

晶粒的反常长大（不均匀长大，或称为二次再结晶secondaryrecrystallization

）二次再结晶特征：

驱动力来自界面能或表面能的降低。

不需要重新形核，是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而长大。少数晶粒突发性地迅速发生粗化，使晶粒间的尺寸差别显著增大。只有在晶粒正常长大受阻情况下才产生二次再结晶。

也会产生择优取向的晶粒，称之为再结晶织构。高纯Fe-3Si箔材于1200℃真空中退火时所产生的二次再结晶现象☻粗大晶粒降低材料的力学性能。☺硅钢片生产中，二次再结晶可获得高斯织构{110}<001>和立方织构{100}<001>

还可以利用二次再结晶制取单晶体。7.2.4.再结晶织构

具有变形织构的冷加工金属，经再结晶退火后，通常仍具有择优取向，称此为再结晶织构.与原织构相同/不同。冷拔铝丝<111>丝织构

500°C以下退火，织构不变

600°C以上退火，变成<112>或<210>织构形成机理:(1)定向生长

取向有利的晶核迁移快，抑制并吞并其他晶核，形成再结晶织构。(2)定向形核母体具有织构，晶核与母体有一定取向关系，因此形核长大后也形成织构。再结晶织构的存在会引起各向异性，织构越完整，各向异性越明显。7.2.5再结晶退火后金属组织

性能的控制

⑴晶粒尺寸的控制.

退火后晶粒大小d取决于：

冷变形量ε/

退火温度T

常用再结晶图描述三者关系

·临界变形区

·二次再结晶区

临界变形区不均匀变形二次再结晶区强烈冷变形+高温退火铝的再结晶图（熔点660℃）临界变形度:金属冷变形后再结晶时晶粒极易长得粗大，这时所对应的应变量，称为临界变形度。金属材料的临界变形度一般为（2～8％）。晶粒尺寸的控制controlofgrainsizePriorstrain预应变Scheduleofanneal退火制度Priorgrainsize初始晶粒尺寸Impurities杂质

Recrystallizationoffersameansofcontrollinggrainsize.

预应变越大

金属纯度越低(杂质/合金元素）原始晶粒越细加热速度越快加热时间越短晶粒细化Grainrefining⑵再结晶织构的控制选择适当的工艺和退火制度适当调整化学成分

危害：制耳加工率↑退火温度↑制耳越严重冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响

(纯铝片拉伸)3%6%9%12%15%20%变形40%变形60%变形纯铁冷变形压缩变形450℃退火500℃退火600℃退火700℃退火800℃退火纯铁冷变形+退火Al－Li合金的再结晶

recrystallizationofAl-Lialloy

冷轧coldrolling+退火annealing

位错胞dislocationcells（冷轧）

位错网dislocationnetwork（退火初期）位错墙

dislocationwalls亚晶界

subgrainboundariesLowAngleGrainBoundary－小角晶界大角晶界highangleboundaries7.3金属在热加工中组织性能的变化7.3.1热加工的特点优点变形抗力↓塑性↑变形量↑控制T、ε、V、t→组织性能缺点尺寸精度↓表面光洁↓与冷加工区别：硬化(workhardening)＆软化(recovery/recrystallization)同时出现。

若相互抵消，无加工硬化效应。

热加工的优缺点优点：（1）金属的塑性好,断裂倾向小,可采用较大的变形量；（2）变形抗力低；（3）无需中间退火；（4）可加工室温下不能进行塑性加工的金属；（5）作为开坯,可改善粗大的铸造组织；（6）可通过控制变形温度/速度/变形程度/冷却速度/道次间隙时间控制组织性能。缺点：（1）需要加热，耗能；（2）不如冷加工制品尺寸精确,表面光洁；（3）尺寸精度不如冷加工。

热加工的软化过程：

⑴动态回复 dynamic recovery⑵动态再结晶dynamic recrystallization⑶亚动态再结晶

metadynamicrecrystallization⑷静态再结晶staticrecrystallization⑸静态回复 static recoverysofteningprocessduringhotrollingsofteningprocessduringhotextrusion

7.3.2热变形中的软化过程⑴动态回复dynamicrecovery

Ⅰ微变形阶段

Ⅱ加工硬化逐渐降低

Ⅲ稳定变形阶段

机制：位错攀移

climbing

交滑移

crossslip

位错脱钉

动态回复应力-应变曲线应变速率一定1)变形温度↑回复速率↑进入稳定阶段早,变形应力↓2)温度一定,应变速率↑进入稳定阶段晚,变形应力↑

3)动态回复～层错能

stackingfaultenergy

高层错能金属Al，iron，lowcarbonsteel

扩展位错窄，易交滑移crossslip攀移climb

→亚晶中位错密度↓→储存能↓→不足以引起动态再结晶→易发生动态回复.

⑵动态再结晶dynamicrecrystallization再结晶形核长大+塑性变形发生动态再结晶的应力－应变曲线

应变速率↓温度↑稳定变形应